細(xì)旦丙綸長(zhǎng)絲生命周期分析研究

江建平，許斯佳，鄧 佶，郭熙桃，柯偉斌，郭清海，邱志明*

(1.廣東蒙泰高新纖維股份有限公司，廣東 揭陽(yáng) 515500； 2.華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

聚丙烯纖維俗稱丙綸，目前世界各國(guó)對(duì)丙綸的開發(fā)與研究十分積極，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，如醫(yī)用防護(hù)服、纖維織物增強(qiáng)混凝土等[1]。丙綸具有許多獨(dú)特的性能，例如質(zhì)輕、耐酸堿等，但常規(guī)丙綸吸濕性極差、粗糙，導(dǎo)致丙綸服裝舒適性差。為解決上述問題，細(xì)旦丙綸技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，細(xì)旦丙綸制作成的衣物具有柔軟、透氣和導(dǎo)濕等優(yōu)點(diǎn)。細(xì)旦丙綸是指線密度小于1.0 dtex的丙綸，該類纖維的細(xì)小直徑優(yōu)勢(shì)和丙綸自身的疏水特性，使其具有明顯的毛細(xì)管效應(yīng)，從而提高丙綸織物的穿著舒適性性。

生命周期分析(LCA)是一種分析評(píng)價(jià)方法，可用于量化評(píng)估產(chǎn)品在整個(gè)價(jià)值鏈中的環(huán)境影響[2-3]。從分析方法上看，LCA已被廣泛用于纖維的環(huán)境效果評(píng)價(jià)。馬俊濱等[4]利用LCA方法分析量化黑色原液著色聚酯短纖維生產(chǎn)階段的環(huán)境影響。隨著全球環(huán)境問題的日益突出及我國(guó)對(duì)碳排放的重視，LCA環(huán)境評(píng)價(jià)方法因其量化分析結(jié)果可以指導(dǎo)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化，可逐步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的綠色環(huán)保目標(biāo),勢(shì)必逐漸普及。

LCA作為一種日益成熟的分析評(píng)估體系，可對(duì)細(xì)旦丙綸長(zhǎng)絲生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境影響進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。作者利用LCA分析方法對(duì)細(xì)旦丙綸長(zhǎng)絲的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算；為了更直觀地評(píng)價(jià)該過(guò)程的環(huán)境影響，將常規(guī)滌綸長(zhǎng)絲和錦綸6長(zhǎng)絲的生產(chǎn)過(guò)程加入LCA評(píng)價(jià)體系，進(jìn)一步將3種長(zhǎng)絲織造為梭織布，制備成運(yùn)動(dòng)裝，對(duì)以上多個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境影響進(jìn)行LCA分析，擬通過(guò)量化數(shù)據(jù)客觀對(duì)比分析3種纖維材料制備的梭織布及運(yùn)動(dòng)裝的環(huán)境影響指標(biāo)。

1 LCA分析

按照ISO 14040—2006/Amd 1—2020《環(huán)境管理.產(chǎn)品壽命周期評(píng)價(jià).原則和框架.修訂1》、ISO 14044—2006/Amd 2—2020《環(huán)境影響管理.產(chǎn)品壽命周期評(píng)價(jià).要求和導(dǎo)則.修訂2》和GB/T 24044—2008《環(huán)境管理 生命周期評(píng)價(jià) 要求與指南》規(guī)定的4個(gè)步驟即目標(biāo)與范圍定義、清單分析、影響評(píng)價(jià)、結(jié)果解釋，對(duì)細(xì)旦丙綸長(zhǎng)絲的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行LCA分析計(jì)算；對(duì)細(xì)旦丙綸布、滌綸布、錦綸6布的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行LCA分析計(jì)算并對(duì)比環(huán)境影響；對(duì)細(xì)旦丙綸運(yùn)動(dòng)裝、滌綸運(yùn)動(dòng)裝和錦綸6運(yùn)動(dòng)裝3種運(yùn)動(dòng)裝的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行LCA分析計(jì)算并對(duì)比環(huán)境影響，計(jì)算建模軟件采用Gabi ts 6.0版本。

1.1 目標(biāo)與范圍定義

LCA分析對(duì)象分別為細(xì)旦丙綸長(zhǎng)絲、細(xì)旦丙綸布、滌綸布、錦綸6布、細(xì)旦丙綸運(yùn)動(dòng)裝、滌綸運(yùn)動(dòng)裝和錦綸6運(yùn)動(dòng)裝。LCA分析其生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境影響的系統(tǒng)邊界如圖1、圖2所示。

圖1 3種纖維布生產(chǎn)過(guò)程的LCA系統(tǒng)邊界Fig.1 LCA system boundary of production process for three kinds of fabric

圖2 3種運(yùn)動(dòng)裝生產(chǎn)過(guò)程的LCA系統(tǒng)邊界Fig.2 LCA system boundary of production process for three kinds of sportswear

LCA分析評(píng)價(jià)選取表1所示的6種環(huán)境影響指標(biāo)。其中，全球變暖潛值(GWP)是定義溫室氣體相對(duì)強(qiáng)度的一種方法，環(huán)境影響因子為二氧化碳(CO2)，以CO2當(dāng)量為標(biāo)準(zhǔn)單位，也就是說(shuō)CO2的潛能值被定義為1，潛能值越高，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)就越大[5-6]；酸化效應(yīng)(AP)主要來(lái)源于生產(chǎn)過(guò)程中的二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、氨氣(NH3)和氯化氫(HCl)等排放，也包括電力生產(chǎn)過(guò)程的間接排放[7-8]；陸地生態(tài)毒性潛值(TETP)主要來(lái)源于二氯苯(DCB)及鉻等重金屬[9-10]；光化學(xué)氧化潛值(POCP)是用來(lái)表征造成光化學(xué)煙霧的可能性，在原料生產(chǎn)和電力生產(chǎn)過(guò)程中均會(huì)有相關(guān)氣體釋放，以當(dāng)量乙烯(C2H4)作為單位[11-12]；富營(yíng)養(yǎng)化潛值(EP)來(lái)源于進(jìn)入水體的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可能由工業(yè)廢水排放、生活污水排放及農(nóng)藥使用等活動(dòng)導(dǎo)致[13]；能耗(EC)包括可再生能源與不可再生能源，可用于評(píng)價(jià)能耗大小。

表1 環(huán)境影響類別及環(huán)境影響因子Tab.1 Environmental impact categories and environmental impact factors

1.2 清單分析

細(xì)旦丙綸長(zhǎng)絲、滌綸長(zhǎng)絲和錦綸6長(zhǎng)絲的工藝數(shù)據(jù)為華南地區(qū)纖維企業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù)及清潔生產(chǎn)指標(biāo)中的一級(jí)指標(biāo)，制作運(yùn)動(dòng)裝的工藝數(shù)據(jù)來(lái)源于華南地區(qū)某服裝公司，原料、電力、水等來(lái)源于Gabi ts 6.0數(shù)據(jù)庫(kù)，優(yōu)選來(lái)源于我國(guó)的數(shù)據(jù)，歐盟和德國(guó)的數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充。

細(xì)旦丙綸長(zhǎng)絲的生產(chǎn)過(guò)程主要包括熔融紡絲、多級(jí)拉伸后處理。細(xì)旦丙綸布的生產(chǎn)過(guò)程是在生產(chǎn)長(zhǎng)絲的基礎(chǔ)上增加一個(gè)織造步驟。滌綸布和錦綸6布的生產(chǎn)過(guò)程包括原料準(zhǔn)備、熔融紡絲、拉伸、織造。運(yùn)動(dòng)裝由一件T恤和長(zhǎng)褲組成，生產(chǎn)過(guò)程主要分為兩個(gè)階段即布料生產(chǎn)階段和成衣階段，布料生產(chǎn)包括紡絲和織造，成衣階段包括輔料生產(chǎn)、排料剪裁、車縫、裝配、鎖眼釘扣、整燙、成衣檢驗(yàn)和包裝入庫(kù)。

1.3 影響評(píng)價(jià)

采用軟件Gabi ts 6.0提供的CML 2001評(píng)價(jià)方法，以表1所示的6種環(huán)境影響類別及環(huán)境影響因子作為評(píng)估指標(biāo)，利用軟件計(jì)算分析得到環(huán)境影響結(jié)果。細(xì)旦丙綸長(zhǎng)絲的產(chǎn)量為100 kg，細(xì)旦丙綸布的產(chǎn)量為100 kg，滌綸布和錦綸6布的產(chǎn)量為1 420 kg，運(yùn)動(dòng)裝的產(chǎn)量均為3 400 kg(細(xì)旦丙綸丙綸運(yùn)動(dòng)裝15 164件，滌綸運(yùn)動(dòng)裝10 000件，錦綸6運(yùn)動(dòng)裝12 105件)。為便于比較，將細(xì)旦丙綸長(zhǎng)絲的環(huán)境影響轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)1 kg產(chǎn)品所造成的環(huán)境影響，LCA結(jié)果見表2；將3種纖維布的環(huán)境影響均轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)1 kg產(chǎn)品所造成的環(huán)境影響，LCA結(jié)果見表3；將3種運(yùn)動(dòng)裝的環(huán)境影響均轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)1件產(chǎn)品所造成的環(huán)境影響，LCA結(jié)果見表4。

表2 生產(chǎn)1 kg細(xì)旦丙綸長(zhǎng)絲的LCA結(jié)果Tab.2 LCA results of producing 1 kg fine denier polypropylene filament

表3 生產(chǎn)1 kg纖維布的LCA結(jié)果Tab.3 LCA results of producing 1 kg fabric

表4 生產(chǎn)1件運(yùn)動(dòng)裝的LCA結(jié)果Tab.4 LCA results of producing one sportswear

1.4 結(jié)果解釋

由表2、3可知，細(xì)旦丙綸長(zhǎng)絲織造成布會(huì)使得各項(xiàng)環(huán)境影響指標(biāo)大幅上升，意味著對(duì)環(huán)境影響更加劇烈。當(dāng)產(chǎn)量均為1 kg時(shí)，將細(xì)旦丙綸布與滌綸布和錦綸6布相比，根據(jù)不同的環(huán)境影響類別，三者有不同的表現(xiàn)。因?yàn)楸]的密度是0.91 g/cm3，滌綸的密度是1.38 g/cm3，錦綸6的密度是1.14 g/cm3，所以生產(chǎn)相同質(zhì)量的產(chǎn)品，細(xì)旦丙綸布的面積更大，是滌綸布的1.52倍、錦綸6布的1.25倍。假設(shè)3種布的面積相同，則根據(jù)6種環(huán)境影響類別，細(xì)旦丙綸布的環(huán)境影響最小。

為了更加直觀地比較，將3種布制備為夏季運(yùn)動(dòng)裝，以生產(chǎn)1件運(yùn)動(dòng)裝的環(huán)境影響來(lái)進(jìn)行對(duì)比。由表4的GWP數(shù)據(jù)可得，細(xì)旦丙綸運(yùn)動(dòng)裝的碳排放小于滌綸和錦綸6運(yùn)動(dòng)裝，這與紡絲過(guò)程中釋放的揮發(fā)性氣體有關(guān)，也與電能和煤等能耗相關(guān)，這受我國(guó)火電為主的電力結(jié)構(gòu)影響[4]。根據(jù)表4的AP數(shù)據(jù)，細(xì)旦丙綸運(yùn)動(dòng)裝的AP數(shù)值小于滌綸運(yùn)動(dòng)裝和錦綸6運(yùn)動(dòng)裝，這是因?yàn)榧?xì)旦丙綸運(yùn)動(dòng)裝的原料是聚丙烯，在熔融紡絲步驟排放的酸性氣體很少。根據(jù)表4的TETP數(shù)據(jù)，細(xì)旦丙綸運(yùn)動(dòng)裝的TETP數(shù)值仍為最小，但是3種運(yùn)動(dòng)裝的TETP數(shù)值較為接近，這是因?yàn)?種運(yùn)動(dòng)裝在生產(chǎn)過(guò)程中都很少排放重金屬，主要是來(lái)自發(fā)電過(guò)程的重金屬。根據(jù)表4的POCP數(shù)據(jù)，細(xì)旦丙綸運(yùn)動(dòng)裝的POCP數(shù)值最小，錦綸6運(yùn)動(dòng)裝的POCP數(shù)值最高，是因?yàn)殄\綸6在原料生產(chǎn)加工時(shí)會(huì)有相關(guān)氣體釋放。錦綸6含有N元素，在生產(chǎn)過(guò)程中排放的污水會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，所以表4中錦綸6運(yùn)動(dòng)裝的EP數(shù)值最高，聚丙烯不含有上述元素，故細(xì)旦丙綸運(yùn)動(dòng)裝的EP數(shù)值最小。根據(jù)表4 的EC數(shù)據(jù)可知，錦綸6運(yùn)動(dòng)裝生產(chǎn)過(guò)程中的能耗最高，細(xì)旦丙綸運(yùn)動(dòng)裝生產(chǎn)過(guò)程中的能耗最小。

綜上所述，在生產(chǎn)同樣數(shù)量的3種運(yùn)動(dòng)裝過(guò)程中，細(xì)旦丙綸運(yùn)動(dòng)裝對(duì)環(huán)境影響最小，在6項(xiàng)環(huán)境影響類別中均表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。

2 LCA分析運(yùn)動(dòng)裝生產(chǎn)過(guò)程的碳排放量

近年來(lái)，隨著“碳達(dá)峰”、“碳中和”等概念被提出，我國(guó)對(duì)碳排放愈加重視。LCA分析方法可以對(duì)產(chǎn)品生命周期的碳排放進(jìn)行定量計(jì)算。采用Gabi ts 6.0軟件計(jì)算得到的GWP值可以定量地反映生產(chǎn)過(guò)程中各階段的溫室氣體排放，其中將單位CO2排放量為基準(zhǔn)值，其他溫室氣體會(huì)自動(dòng)換算成CO2當(dāng)量，因而可將GWP值近似作為生產(chǎn)過(guò)程的碳排放量，從而反映生產(chǎn)過(guò)程對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)。以3種面料運(yùn)動(dòng)裝生產(chǎn)過(guò)程的碳排放量為例，生產(chǎn)的3種運(yùn)動(dòng)裝產(chǎn)量均為3 400 kg，纖維制備階段包括熔融紡絲步驟和后處理步驟，各生產(chǎn)階段的碳排放量見表5。根據(jù)表5所示3種面料運(yùn)動(dòng)裝各個(gè)生產(chǎn)階段的碳排放量，計(jì)算各生產(chǎn)階段的碳排放量所占的比例，見表6。

表5 3種運(yùn)動(dòng)裝各生產(chǎn)階段的碳排放量Tab.5 Carbon emission in each production stage of three kinds of sportswear

表6 3種運(yùn)動(dòng)裝各生產(chǎn)階段碳排放量占比Tab.6 Proportion of carbon emissions in each production stage of three kinds of sportswear

由表6可知：細(xì)旦丙綸運(yùn)動(dòng)裝各生產(chǎn)階段的碳排放量中，織造階段占比最高，達(dá)31%，車縫、纖維制備階段占比分別為25%、23%，其他生產(chǎn)階段占比較小；滌綸運(yùn)動(dòng)裝各生產(chǎn)階段的碳排放量中，纖維制備階段占比最高，達(dá)35%，織造、裝配和車縫階段占比分別為22%、21%和17%，其他生產(chǎn)階段占比較??；錦綸6運(yùn)動(dòng)裝各生產(chǎn)階段的碳排放量中，纖維制備階段占比為41%，車縫、裝配階段占比分別為21%、21%。除細(xì)旦丙綸運(yùn)動(dòng)裝外，滌綸運(yùn)動(dòng)裝和錦綸6運(yùn)動(dòng)裝均是纖維制備過(guò)程為碳排放量最高的生產(chǎn)階段，可根據(jù)此結(jié)論進(jìn)行減碳設(shè)計(jì)。因此，可將生產(chǎn)錦綸6運(yùn)動(dòng)裝和滌綸運(yùn)動(dòng)裝在纖維制備階段所用的煤換為天然氣或者電力，或?qū)⒒痣姄Q為清潔電力等，以此來(lái)降低碳排放量[14]。

3 結(jié)論

a.以3種纖維及其織造布為分析對(duì)象，利用LCA分析方法進(jìn)行分析，得到6個(gè)環(huán)境影響類別的數(shù)值，然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，若在相同質(zhì)量下對(duì)比環(huán)境影響，3種布各有優(yōu)勢(shì)；若在相同面積下對(duì)比，細(xì)旦丙綸布的6項(xiàng)環(huán)境影響類別數(shù)值均最小，對(duì)環(huán)境的影響最小。

c.在3種運(yùn)動(dòng)裝的生產(chǎn)過(guò)程中，細(xì)旦丙綸運(yùn)動(dòng)裝生產(chǎn)階段中碳排放量最高的為織造階段，占比31%，滌綸運(yùn)動(dòng)裝和錦綸6運(yùn)動(dòng)裝生產(chǎn)階段中碳排放量最高的均是纖維制備階段，占比分別為35%和41%。